Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 2. Геологическая среда города

дорог, трубопроводов или разработке карьеров, дополнительная нагрузка на

склон вследствие его застройки, вибрационное воздействие транспортных

средств или взрывов.

600—700 мм/год

Условные обозначения:

— лессовидные суглинки

— глины с прослоями песков и

песчаников

5- — уровень грунтовых вод

их

— поверхность скольжения

оползневых масс

— зоны разгрузки водоносных

горизонтов

— водоносные горизонты в

песчаных породах

— атмосферные осадки

Рис. 2.6. Схема строения оползневого склона на правом берегу р.Прут

близ Черновцов (по Адаменко, Рудько, 1998)

Как правило, на территории городов несколько факторов действуют со-

вместно, что приводит к повышению частоты проявлений оползневых про-

цессов.

Разнообразны примеры оползнеобразовния. В Гонконге оползни были вы-

званы застройкой и подрезкой склонов. В районах угледобычи в Англии ополз-

необразование связано с водонасыщением отвальных пород. В 1980 г. схожде-

ние оползня на западе США было вызвано сейсмическими толчками, сопро-

вождавшими извержение вулкана Святой Елены (Сент-Хеленс). На протяжении

последних лет активизировались оползневые процессы в Днепропетровске и

Черновцах. Впервые развитие оползневого процесса в центральной части Чер-

новцов наблюдалось в конце прошлого века. Детально описал его немецкий

геолог Бекке в 1895 г. В дальнейшем катастрофическая активизация оползней

в пределах городской территории происходила в 1962, 1963, 1965, 1974, 1979,

1991, 1995 и 1999 годах. Оползень, который произошел в феврале 1995 г., имея

площадь 150 м

, захватил жилые дома, инженерные сооружения, складские

помещения. Всего было разрушено около 30 жилых домов, серьезный мате-

Экология города

риальный ущерб нанесен четырем промышленным предприятиям, под угро-

зой функционирования оказалась городская больница. Основной причиной

оползней в Черновцах является переувлажнение пород склона вследствие

неупорядоченности поверхностного стока, нарушения условий дренирова-

ния территории и повышения уровня грунтовых вод в результате утечек из

водонесущих коммуникаций. Эти факторы действуют на фоне естественной

высокой увлажненности территории (количество атмосферных осадков со-

ставляет 600—700 мм в год).

В июне 1997 г. катастрофический оползень в Днепропетровске на жилом

массиве "Тополь—1" привел к разрушению многоэтажного жилого дома, шко-

лы, двух детских садов, одноэтажных жилых строений, вывел из строя инже-

нерные коммуникации. Основным фактором оползнеобразования явился

подъем уровня грунтовых вод, происходивший на этой территории в после-

дние десятилетия со скоростью 0,5—1 м в год вследствие утечек из водонесу-

щих коммуникаций и нарушения режима подземных вод при застройке скло-

на речной долины (рис. 2.7).

AR-PR

Условные обозначения:

— почвенно-расти-

тельный слой

— лессовые породы

— глинистые породы

— пески, песчаные

отложения

— кристаллические породы основания

— древняя кора выветривания

Уровни подземных вод:

—*-*-* ~f на 1893 г.

— на 1962 г.

-на 1982 г.

Рис. 2.7. Схема подтопления правобережной части Днепропетровска

(по "Информ. бюл. Мин. геологии", 1997 г.)

Зона

гтодтопле-

ния

Раздел 2. Геологическая среда города

В 1997 г. питание грунтовых вод вследствие атмосферных осадков со-

ставило 801 мм/год при среднемноголетней норме 483 мм/год, а за счет

техногенных утечек на участке оползня — 800 мм/год. Процессу оползнеоб-

разования способствовало экранирование участка разгрузки грунтовых вод

делювием и вибрационная нагрузка от проходящих по балке поездов. Осо-

бенностью оползня в Днепропетровске была его "молниеносность". Спол-

зание водонасыщенных лессовых пород, сформировавших оползень, про-

изошло в течение 10 часов.

Широко развиты оползни в приморских городах Украины — Керчи, Ма-

риуполе, Одессе, Очакове, Севастополе, где они сочетаются с абразионными

процессами.

Оползни часто являются поставщиками материала для грязевых пото-

ков — селей. Сели — водные потоки, насыщенные твердым материалом.

Формируются чаще всего во время ливневых осадков и снеготаяния в хол-

мистых или горных районах при наличии большого количества рыхлого,

выветренного материала. Сели обладают значительными скоростями дви-

жения и большой разрушительной силой. Область питания селя представ-

ляет собой обычно верхнюю часть водосборного бассейна, имеющую крутые

склоны. Область транзита — путь движения селя по линии наибольшего па-

дения (с углом падения 25—40°), где скорость движения селя максимальна.

Область разгрузки представляет собой нижнюю часть долины реки или рав-

нину, где сель резко замедляет движение и происходит разгрузка принесен-

ного материала. В зависимости от количественного соотношения в составе

селя воды и твердого материала, а в составе твердого — глинистых, мелко-

обломочных частиц и обломков пород — их подразделяют на связные, не-

связные, грязекаменные и водокаменные. Наибольшая плотность у связных

селей (до 1900 кг/м

), наименьшая — у водокаменных (около 1100 кг/м

Широко известны селепроявления в Алматы, расположенном в предгорьях

Заилийского Алатау, в Казахстане. Наиболее разрушительным был сель 1921 г.

Погибло более 400 человек, разрушено большое количество зданий. Терри-

тория города была покрыта двухметровым слоем твердого материала, зас-

тывшего наподобие бетона. Общая масса вынесенного селем материала со-

ставила свыше 3,5 млн м

В Украине активное селепроявление наблюдается в Карпатах в долинах

рек Днестр, Прут, Тиса, Черемош, в районах с количеством осадков 1000—

1600 мм/год. В Крыму водокаменные сели с периодичностью от 20 до 7 лет

наблюдаются в долинах рек Альма, Бельбек, Кача.

Образование селей часто провоцируется наличием техногенных отложе-

ний. В Киеве в 1961 г. при строительстве трамвайно-троллейбусного депо в

районе Бабьего Яра осуществлялась планировка территории методом гидрона-

мыва песка с возведением серии ограждающих дамб. Утром 13 марта 1961 г., в

воскресенье, перенасыщенные водой грунты дамбы превратились в селевый

поток, который обрушился на жилой район города — Куреневку, где преоб-

ладали одноэтажные дома. Катастрофа сопровождалась многочисленными че-

ловеческими жертвами.

Экология города

Подобная трагедия произошла в октябре 1966 г. в пос. Аберран в Англии

на отвалах угольных шахт. Распавшиеся при хранении на мелкие обломки

куски сланцев и других отвальных пород превратились в рыхлую массу, кото-

рая при насыщении атмосферными осадками пришла в движение. Образо-

вавшийся на отвале поток со скоростью 32 км/час устремился в долину, по-

глотив школу, ферму и ряд домов. Погибло 144 человека.

На территории городов Украины широко распространено такое явление,

как подтопление. Оно установлено в 244 городах и поселках, причем площадь

подтопления может достигать 30, а с учетом потенциального подтопления

даже 50% территории города, как, например, в Харькове.

К подтопленным городским территориям относят такие, на которых уро-

вень грунтовых вод расположен выше 2,5 м от отметки поверхности земли.

На территории зеленых насаждений в соответствии с санитарными нормами

допускается повышение уровня грунтовых вод до 1 м от поверхности.

Подтопление в силу большого разнообразия природных условий и соста-

ва пород, слагающих территорию городской агломерации, происходит по-

разному. В одних случаях может происходить повышение уровня грунтовых

вод, в других — формирование техногенной верховодки или техногенного

водоносного горизонта. Наряду с изменением уровня грунтовых вод проис-

ходит изменение их состава. Вследствие обводнения снижается несущая спо-

собность пород основания сооружений, разрушаются материалы подземных

коммуникаций и конструкций, загрязняются в результате утечек из канали-

зации грунтовые воды. Подтопление провоцирует развитие оползневых про-

цессов, как в Днепропетровске и Черновцах. На подтопленных территориях

возрастает влажность почв и изменяется состав их поглощенного комплекса.

Устойчивая тенденция такого рода приводит к заболачиванию местности,

обводнению подвалов и погребов, смене фито- и зооценозов данной терри-

тории. Типичным примером является распространение в домах с затоплен-

ными подвалами комаров родов Culex, Anopheles и Aedes.

Основными причинами развития подтопления в городах Украины явля-

ются:

• изменение условий поверхностного стока, в частности создание водо-

хранилищ;

• засыпка естественных дрен — оврагов, балок, стариц;

• недостаточное развитие сети ливневой канализации и плохое ее состо-

яние;

• развитие сетей водоснабжения без соответствующего строительства си-

стемы водоотведения;

• утечки из сетей водопровода и канализации и аварии на них;

• барражное воздействие дорожных насыпей, свайных полей, коллекто-

ров большого диаметра и тоннелей метрополитена.

Затопление, т.е. образование свободной поверхности воды над земной

поверхностью, является одним из наиболее распространенных природных

Раздел 2. Геологическая среда города

процессов, связанных с выходом рек из берегов. Оно наносит большой ма-

териальный ущерб и сопровождается человеческими жертвами. По данным

американских исследователей, наводнение на р. Миссисипи в 1973 г. на-

несло ущерб в 1 ]^лрд 200 млн долларов, а осенний паводок в Аризоне в том

же году нанес ущерб в 413 млн долларов и сопровождался гибелью

13 человек. Затопление в поймах рек зависит от общего количества и рас-

пределения атмосферных осадков, инфильтрационных характеристик и ре-

льефа местности. Затопление может происходить в результате быстрого та-

яния снега и льда, нагонных явлений в устьях рек, подпора речного стока

или прорыва дамб.

Затопление на урбанизированных территориях характеризуется уровнем

подъема воды и частотой повторяемости. Эти характеристики находятся в

прямой зависимости от площади с водонепроницаемым покрытием (застрой-

ка, асфальт и т.п.) и от объема ливневого стока.

Практически все города Украины, расположенные в поймах рек, частично

подвергаются затоплению, особенно в годы с высокой водообеспеченностью.

Периодические затопления нагонной природы характерны для Санкт-Пе-

тербурга, где под действием морского ветра многоводная Нева начинает дви-

гаться вспять, заливая городские улицы и строения.

Для защиты городов от временного и постоянного затопления применя-

ют искусственное повышение уровня поверхности территорий или дамбы об-

валования, повышение дренирующей способности водосборных площадей,

регулирование ливневого стока на территории городов.

Эрозия почв на территории городов развивается под воздействием сосре-

доточенного поверхностного стока, а иногда в результате утечек из водонесу-

щих коммуникаций. Наиболее интенсивно эрозия почв происходит при стро-

ительных работах вследствие разрыхления и выемки почв и грунтов. Интен-

сивность эрозии в период строительства в 10 раз выше, чем на землях

сельскохозяйственного использования. Содержание взвешенных частиц в

водных потоках на территории строительства повышается в десятки раз.

Речная эрозия является результатом воздействия водного потока на русло

и заключается в размыве, транспортировке и аккумуляции наносов. Эрози-

онная работа реки зависит от расхода и скорости потока, петрографического

состава пород, в которых река прокладывает русло. Наибольшая интенсив-

ность эрозии наблюдается при больших расходах реки и малой устойчивости

к размыву пород, в которых сформировано русло. В результате эрозии возни-

кает угроза сооружениям, расположенным на подмываемых берегах. Отложе-

ние наносов в реке приводит к ее обмелению, затрудняет судоходство, усили-

вает угрозу подтопления прилегающих территорий. Зарегулирование речного

стока в пределах городских территорий позволяет снизить негативное влия-

ние этих процессов.

Карстообразованием называют сложный геологический процесс, основным

компонентом которого является выщелачивание растворимых горных пород

подземными и поверхностными водами с образованием крупных пустот в по-

Экология города

родах (воронок, пещер и т.д.), выносом дисперсных частиц из перекрывающих

и смежных отложений, а также оседанием и обрушением кровли. Поэтому

чаще говорят о комплексе карстово-суффозионных процессов. По форме про-

явления различают поверхностный (открытый) карст, характерным примером

которого служит Крымская Яйла, и подземный (скрытый) карст. Подземный

карст образуется в случае, если карстующиеся породы перекрыты толщей не-

растворимых, но водопроницаемых пород. Карст может развиваться в карбо-

натных породах (известняках, доломитах, мело-мергельных толщах), сульфа-

толитах (гипсах, ангидритах), галолитах (каменной, калийной солях). На ин-

тенсивность формирования карста влияет степень трещиноватости пород,

глубина залегания подземных вод, что определяет скорость фильтрации и во-

дообмена, а также гидрохимический состав вод. Естественными факторами,

способствующими карстообразованию, являются пересеченный рельеф, нали-

чие мощного подземного стока, высокие скорости фильтрации, присутствие в

воде свободной углекислоты, трещиноватость пород. На активизацию карсто-

образования могут оказать влияние техногенные факторы, способствующие

обводнению покровных отложений, понижению уровня трещинно-карстовых

вод, резкому колебанию уровня подземных вод, например, при откачке под-

земных вод или при сбросе сточных вод и отходов в карстовые пустоты, а

также изменение гидрохимического состава подземных вод.

На территориях городских агломераций развитию карста способствует фор-

мирование значительных по размерам депрессионных воронок в районах во-

дозаборов (Краматорск, Луганск, Ровно и др.), а также в районах разработок

полезных ископаемых (Залещики, Стебник, Хотин), где наблюдаются оседа-

ния и провалы поверхности. Антропогенная активизация сульфатного карста

создает угрозу застройке юго-западной части Львова, составляющей до 30%

территории города.

В Одессе над подземными пустотами — катакомбами, образовавшимися

в результате разработок известняка-ракушечника, наблюдаются оседание по-

верхности земли, провалы, деформация фундаментов.

В зоне добычи полезных ископаемых, где наблюдается нарушение зем-

ной поверхности над горными выработками, расположены города Белозерск,

Горловка, Донецк, Макеевка и др.

Крупная катастрофа, связанная с процессами карстообразования и подра-

ботки, произошла в августе 1964 г. в Трансваале (Южная Африка). Там вблизи

золотодобывающего предприятия образовался провал, куда обрушились зда-

ния, 29 человек погибло. Причиной его было нарушение устойчивости кровли

карстующихся пород при понижении уровня грунтовых вод на 300 м.

Просадки поверхности характерны для зон залегания лессовых пород. На

современном этапе развития городов Украины резко увеличилась площадь

застройки на лессовых основаниях. Способность эти* отложений к проседа-

нию при замачивании обусловливает специфику строительства на этих участ-

ках. В Днепропетровской и Запорожской областях почти 80% хозяйственных

объектов построено на просадочных лессовых грунтах, из них более чем в 10

тысячах обнаружены существенные деформации.

Раздел 2. Геологическая среда города

Просадки лессовых толщ от собственного веса при замачивании достигают

в Днепропетровске 0,3—0,6 м, Никополе — 1,0—1,4 м, Запорожье — 1,4—2,2 м.

Для городов, расположенных на берегах морей, водохранилищ, озер, се-

рьезную проблему представляет переработка берегов и разрушение сооруже-

ний в прибрежной полосе. Обрушение берегов происходит в результате вол-

нового воздействия.

Ветровые волны появляются вследствие сил трения между воздушным по-

током и поверхностью воды. По Ф. Шепарду, высота Н, м, и длина L, м,

морской волны зависят от скорости ветра W, м/с, его продолжительности D, с,

и длины разгона F, м, т.е. размеров водоема: Н, L —f{W, D, Г).

Сила удара волны достигает, по подсчетам В. Зенковича, 0,06—0,07 МПа

для внутренних морей и 0,30—0,60 МПа для океанов.

Приливные волны имеют небольшую энергию размыва, но высота при-

лива достигает в некоторых местах 10 м и более и может представлять значи-

тельную угрозу для сооружений.

Процессы на границе суши и моря подразделяют на две группы: абрази-

онные и аккумулятивные.

Абразия — процесс разрушения горных пород волнами и течениями

в береговой зоне моря, озера или водохранилища. В результате выноса

абразионного материала образуются высокие и крутые абразионные бе-

рега (рис. 2.8).

1 "

2 1 1 1

^ о*

.«ГгЛЛч*.-!!

i 1

Рис. 2.8. Влияние крутизны берега и условий залегания слагающих его пород

на скорость абразии:

а) накат волны на пологий берег (Н — высота волны); б) крутой берег с горизонталь-

ным залеганием пластов; в) то же, падение пластов в сторону моря;

г) то же, падение пластов в сторону берега

1 — глинистые породы; 2 — песчаники; 3 — известняки

Экология города

Интенсивность абразии обусловлена контуром береговой линии, петро-

графическим составом пород, слагающих берег, условием их залегания, раз-

рушительной силой волны, углом наклона шельфа. В некоторых местах серь-

езную роль в абразионных процессах играет антропогенный фактор.

Берега, сложенные известняками, конгломератами, являются относительно

устойчивыми к абразии, особенно при падении пластов в сторону моря.

Береговые глинистые отложения не только размываются, но и сползают

вниз при переувлажнении. Сочетание абразии и оползнеобразования харак-

терно для района Одессы. Абразионные формы рельефа развиваются также

на незакрепленных участках побережья Днепровского каскада водохранилищ.

На пологих берегах по мере приближения к надводной части берега вол-

на деформируется, распластывается, в результате чего теряет энергию, а сила

удара уменьшается. Откат волны происходит медленно, масса воды тормозит

следующую волну. В этих условиях аккумуляция наносов преобладает над аб-

разионными процессами. При направлении движения волн или течения пер-

пендикулярно к линии берега образуются береговые валы. При движении

волн под углом к берегу образуются бары, подводные валы, косы и пересыпи,

отделяющие от моря лагуны или лиманы. Перемещение наносов вдоль берега

может идти со скоростью 100—700 м/сут. Строительство в полосе пляжа или

срезка части его при строительных работах может привести к нарушению

динамического равновесия "море — берег", увеличению размыва берега в

одних местах и накоплению наносов в других.

2.5. Защита городских территорий от опасных

геологических процессов

Для городов и вновь застраиваемых территорий прогнозы развития опас-

ных геологических процессов разрабатываются на основе геологической мо-

дели среды, которая включает комплект карт и разрезов разной специфики:

геологических, геоморфологических, гидрогеологических, инженерно-геоло-

гических. Прогноз реализуется в схеме или плане мероприятий по защите

территорий от опасных геологических процессов.

В последние годы для сбора, анализа и представления информации, от-

носящейся к геологической среде, используют компьютерные технологии,

объединенные в географическую информационную систему (ГИС). Исполь-

зование этой системы позволяет на базе имеющихся данных быстро получать

новый информационный продукт, в том числе прогнозные карты. При рас-

смотрении альтернативных вариантов защиты, кроме экологических аспек-

тов, учитывают технические и экономические возможности реализации на-

меченных мероприятий.

При выборе места строительства будущего сооружения в сейсмическом

районе необходимо учитывать инженерно-геологические факторы, влияю-

щие на возможное усиление собственных колебаний здания породами ос-

Раздел 2. Геологическая среда города

нования. Для повышения прочности и устойчивости сооружений и основа-

ний применяют конструктивные меры (жесткие каркасы, анкеры и т.п.) и

укрепительные мероприятия (улучшение свойств пород оснований). Строи-

тельство в районах сейсмичностью более 9 баллов не допускается.

При защите от распространенных на территории нашей страны оползневых

процессов, а также обвалов обрывистых склонов используют мероприятия по

активной и пассивной защите. Активная защита включает как инженерные, так

и управленческие решения. К инженерным мероприятиям относят:

• изменение рельефа склона в целях повышения его устойчивости;

• регулирование стока поверхностных вод с помощью системы поверхно-

стного водоотвода, предотвращение инфильтрации воды в почву и под-

стилающие породы, противоэрозионные меры;

• искусственное понижение уровня подземных вод;

• агролесомелиорация;

• закрепление рыхлых и трещиноватых пород, слагающих склоны;

• строительство удерживающих откос сооружений.

К управленческим мероприятиям относят установление охранных зон,

ограничение или запрещение движения транспорта и другие подобные

решения.

Мероприятия по пассивной защите дополняют группу активных мер или

используются при их нецелесообразности. К пассивным мероприятиям мож-

но отнести приспособление сооружений к обтеканию их оползнем, устрой-

ство улавливающих сооружений.

В целях защиты от эрозии почвенного покрова городской территории

выполняются мероприятия по организованному отводу и регулированию вы-

пуска поверхностного стока, что обеспечивается развитием ливневой кана-

лизации. На свободных участках производится посев трав и посадка древес-

но-кустарниковой растительности.

Как уже отмечалось, суффозионные процессы создают в несвязных оса-

дочных породах ослабленные зоны, которые способствуют нарушению ус-

тойчивости склонов, развитию карстовых процессов, увеличению водо-

притоков в горные выработки. Предупреждение фильтрационных дефор-

маций в несвязных осадочных породах основывается на снижении

градиентов напора, удлинении пути фильтрации, уменьшении фильтраци-

онного диаметра пор и предусматривает проведение следующих инженер-

ных мероприятий: устройство пригрузки водонепроницаемыми породами

в местах выхода на поверхность восходящего фильтрационного потока;

дренажей для понижения уровня грунтовых вод; обратных фильтров меж-

ду слоями крупно- и мелкозернистого материала; фильтрационных завес

для удлинения пути фильтрации.

Противокарстовые мероприятия разрабатывают для территорий, в строе-

нии которых участвуют растворимые горные породы и имеются карстовые

проявления на поверхности или в глубине массива этих пород. Основные

Экология города

противокарстовые мероприятия зависят от особенностей карстующихся по-

род, их залегания, специфики защищаемых сооружений и могут включать

следующие инженерные решения: заполнение карстовых полостей; создание

искусственного водоупора и противофильтрационных завес; водопонижение

и регулирование режима подземных вод; организацию отвода поверхностно-

го стока; устройство оснований зданий и сооружений ниже зоны опасных

карстовых проявлений.

Городское строительство в степной и лесостепной зоне, где широко раз-

виты лессовидные толщи, должно проводиться с использование мер, преду-

преждающих просадочные явления: предохранение лессовидных пород от за-

мачивания путем отвода дождевых и талых вод, гидроизоляции для преду-

преждения инфильтрации; устранение просадочных свойств лессовидных

пород на застраиваемом массиве путем мелиорации пород; предварительное

замачивание с доуплотнением лессовых пород; прорезка глубокими фунда-

ментами лессовых пород при строительстве зданий.

Противосвлевая защита территорий включает комплекс технических со-

оружений и инженерно-технических мероприятий. В состав селезадержива-

ющих и селенаправляющих сооружений входят: плотины, каналы, селеспус-

ки, мосты. Для ослабления динамических характеристик селевого потока и

прекращения его движения используют каскады запруд, дренажные устрой-

ства, террасирование склонов и их агролесомелиорацию. Для предотвраще-

ния селей сооружают плотины, регулирующие паводок, водосбросы на озер-

ных перемычках, а также дамбы для перехвата селевого потока. Служба на-

блюдения и оповещения призвана оперативно информировать население

городов, которым угрожают селевые потоки, о прогнозе их образования.

Для территорий, которым угрожает подтопление, проводят инженерную под-

готовку, обеспечивающую разгрузку подземных вод путем соответствующей

организации рельефа; устраивают водостоки; используют локальные средства

инженерной защиты — дренажи разной конструкции, противобарражные меры

и т.п.; ликвидируют утечки из водонесущих коммуникаций и емкостей.

На подтопленных территориях проводится дренирование иногда в соче-

тании с повышением отметок территории путем создания искусственного

насыпного или намывного рельефа.

Меры борьбы с меандрированием рек сводятся к спрямлению и углубле-

нию русл, а также к укреплению берегов. Спрямление и углубление русл рек

способствует возрастанию транспортирующей силы речного потока, увели-

чению его скорости. При выходе потока из спрямленного участка возможно

отложение транспортируемых наносов.

Для укрепления берегов строятся струенаправляющие и защитные соору-

жения. На вогнутых берегах это обычно продольные дамбы, бетонные бере-

гоуглубительные сооружения, набережные. На выпуклых участках при отсут-

ствии набережных создаются сооружения, задерживающие наносы и способ-

ствующие наращиванию размытого берега. С техническими методами

берегоукрепления комбинируют биологические в виде лесонасаждений вдоль

берегов, высева трав на откосах дамб и берегов.